一种车联网广播背景流下视频传输的方法与流程

本发明涉及车辆管理技术领域，具体为一种车联网广播背景流下视频传输的方法。

背景技术：

车联网是指道路上车辆之间、车辆与固定接入点之间为相互通信组成的移动adhoc网络，vanet通常由车辆单元obu及路边单元rsu构成，由于车联网的高速及高密度分布特性，ieee发布了适用于车联网通信的802.11p协议，作为车联网的一项重要功能，交通感知技术可有效避免交通碰撞、减少能源消耗及提高路网通信能力，因此vanet技术在事故报警、辅助驾驶及交通信息查询等领域具有广阔的应用前景，当道路上的交通流密度达到一定规模时，进行交通感知的周期性广播消息会使无线信道达到饱和，但车联网环境中除了广播交通信息，也可能需要传输视频、在线游戏等应用的信息，前者属于交通感知的必需业务流，后者属于车辆用户的个人业务流，此时如何保证不同业务的服务质量是值得研究的问题。

目前的车联网广播技术一般单纯研究广播算法与性能，较少考虑车辆用户的其他实际应用，而车联网视频传输研究也往往忽略广播消息发送的影响，而现实中，车联网环境既有周期性的广播消息，也存在用户的各类应用数据如视频和在线游戏等，所以有必要研究广播消息背景流量下的车联网视频传输性能，不能实现根据当前信道占用情况，按比例积分控制原则自动改变mac层竞争窗口数值，无法达到改善视频传输的目的，从而不能避免减少对广播消息的影响和较高的信道利用率的情况发生。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种车联网广播背景流下视频传输的方法，解决了不能实现根据当前信道占用情况，按比例积分控制原则自动改变mac层竞争窗口数值，无法达到改善视频传输的目的，从而不能避免减少对广播消息的影响和较高的信道利用率情况发生的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种车联网广播背景流下视频传输的方法，包括车联网802.11p协议的dcf传输机制和竞争窗口比例积分(cw-pi)的算法设计，所述车联网802.11p协议的dcf传输机制具体包括以下步骤：

a1、利用物理层提供的载波监测指示信号确定信道的忙闲，车联网分组传输的过程是首先要等待信道空闲时间和一个tdifs，确认信道没有信息传送，源节点开始发送数据data，数据传输完毕后还需要在等待一个tsifs，此后由接收端发送ack确认帧，源端收到该确认帧后，完成一个数据传输的过程，考虑理想状态，如果没有分组碰撞，则backoff退避时间tbo为

所以，发送一个数据帧所需的时间t可表达为t＝tdifs+tbo+tdata+tsifs+tack，定义数据帧长度为ldata，单节点信道容量计算公式为c＝ldata/t；

a2、根据a1的分析，一个固定长度的数据帧，其传输时间仅与初始竞争窗口cwmin有关，具体而言，cwmin越小，传输一帧数据的时间就越短，换言之其传输效率就越高，以上分析针对单节点成功发送过程，得到某个发送节点的cwmin越小，其信道容量越大的结论，但是车联网环境中，无论目标车辆是否需要发送视频应用，所有车辆节点均在周期性广播交通感知信息，因此需要推导多节点竞争情况下的信道最大容量计算公式，在ro通信范围内有n个车辆节点，假设任一车辆节点i在某个随机时隙内发送一个数据帧的概率为τ，该数据帧与其他节点发出的数据帧发生碰撞的概率为η，在n一定时，有如下关系：

a3、根据bianchi对a1和a2的传输过程建模，m为最大重传次数，cwmin为最小竞争窗口值，令w＝cwmin，有

a4、通过联立a2和a3内的和两式，可求解τ的数值解，可见变量τ是w与n的函数，简记τ＝f(w,n)，802.11p协议mac层的数据传输效率为假设某目标车辆i的通信覆盖范围内发送节点数n，有mac层数据传输效率ψ(n)，802.11p协议理论带宽为ω，则车辆i的最大信道容量为

优选的，所述竞争窗口比例积分(cw-pi)的算法设计具体包括以下步骤：

b1、统计当前的吞吐量th，计算可用信道容量；

b2、计算可用信道容量与视频带宽之差，记为e；

b3、执行比例调节原理的初始竞争窗口算法；

b4、视频传输结束，cwmin恢复为802.11p默认初值，且竞争窗口值按默认算法计算。

优选的，所述步骤b3选用的比例积分控制算法来改变初始竞争窗口数值，pi调节器是一种线性控制器，它根据参考值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

优选的，所述步骤b3中的比例调节按比例反映系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立刻产生调节作用以减少偏差，比例系数kp大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，会使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定，需要注意的是，比例控制无法消除静态误差，这就导致系统的实际输出值一直在参考值附近震荡，因此对于精确控制，需要增加积分调节。

(三)有益效果

本发明提供了一种车联网广播背景流下视频传输的方法。与现有技术相比具备以下有益效果：该车联网广播背景流下视频传输的方法，通过在车联网802.11p协议的dcf传输机制具体包括以下步骤：a1、利用物理层提供的载波监测指示信号确定信道的忙闲，车联网分组传输的过程是首先要等待信道空闲时间和一个tdifs，确认信道没有信息传送，源节点开始发送数据data，数据传输完毕后还需要在等待一个tsifs，a2、根据a1的分析，一个固定长度的数据帧，其传输时间仅与初始竞争窗口cwmin有关，具体而言，cwmin越小，传输一帧数据的时间就越短，换言之其传输效率就越高，以上分析针对单节点成功发送过程，得到某个发送节点的cwmin越小，a3、根据bianchi对a1和a2的传输过程建模，m为最大重传次数，cwmin为最小竞争窗口值，a4可的得到802.11p协议mac层的数据传输效率和车辆的最大信道容量，竞争窗口比例积分(cw-pi)的算法设计具体包括以下步骤：b1、统计当前的吞吐量th，计算可用信道容量，b2、计算可用信道容量与视频带宽之差，记为e，b3、执行比例调节原理的初始竞争窗口算法，b4、视频传输结束，cwmin恢复为802.11p默认初值，且竞争窗口值按默认算法计算，可实现通过算法可以根据当前信道占用情况，按比例积分控制原则自动改变mac层竞争窗口数值，达到改善视频传输的目的，同时减少对广播消息的影响，保持了较高的信道利用率。

附图说明

图1为本发明基本方式(csma/ca)下的数据交换过程图；

图2为本发明不同车流密度下两种算法画质psnr图；

图3为本发明不同车流密度下两种算法信道占用率图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明实施例提供一种技术方案：一种车联网广播背景流下视频传输的方法，包括车联网802.11p协议的dcf传输机制和竞争窗口比例积分(cw-pi)的算法设计，所述车联网802.11p协议的dcf传输机制具体包括以下步骤：

a1、利用物理层提供的载波监测指示信号确定信道的忙闲，车联网分组传输的过程是首先要等待信道空闲时间和一个tdifs，确认信道没有信息传送，源节点开始发送数据data，数据传输完毕后还需要在等待一个tsifs，此后由接收端发送ack确认帧，源端收到该确认帧后，完成一个数据传输的过程，考虑理想状态，如果没有分组碰撞，则backoff退避时间tbo为

所以，发送一个数据帧所需的时间t可表达为t＝tdifs+tbo+tdata+tsifs+tack，定义数据帧长度为ldata，单节点信道容量计算公式为c＝ldata/t；

a2、根据a1的分析，一个固定长度的数据帧，其传输时间仅与初始竞争窗口cwmin有关，具体而言，cwmin越小，传输一帧数据的时间就越短，换言之其传输效率就越高，以上分析针对单节点成功发送过程，得到某个发送节点的cwmin越小，其信道容量越大的结论，但是车联网环境中，无论目标车辆是否需要发送视频应用，所有车辆节点均在周期性广播交通感知信息，因此需要推导多节点竞争情况下的信道最大容量计算公式，在ro通信范围内有n个车辆节点，假设任一车辆节点i在某个随机时隙内发送一个数据帧的概率为τ，该数据帧与其他节点发出的数据帧发生碰撞的概率为η，在n一定时，有如下关系：

a3、根据bianchi对a1和a2的传输过程建模，m为最大重传次数，cwmin为最小竞争窗口值，令w＝cwmin，有

a4、通过联立a2和a3内的和两式，可求解τ的数值解，可见变量τ是w与n的函数，简记τ＝f(w,n)，802.11p协议mac层的数据传输效率为假设某目标车辆i的通信覆盖范围内发送节点数n，有mac层数据传输效率ψ(n)，802.11p协议理论带宽为ω，则车辆i的最大信道容量为

本发明中，竞争窗口比例积分(cw-pi)的算法设计具体包括以下步骤：

b1、统计当前的吞吐量th，计算可用信道容量；

b2、计算可用信道容量与视频带宽之差，记为e；

b3、执行比例调节原理的初始竞争窗口算法；

b4、视频传输结束，cwmin恢复为802.11p默认初值，且竞争窗口值按默认算法计算。

本发明中，步骤b3选用的比例积分控制算法来改变初始竞争窗口数值，pi调节器是一种线性控制器，它根据参考值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，当车辆节点需要发送视频时，已存在的周期性广播必然会影响视频传输质量，在信道容量一定的前提下，车流密度较高时，视频应用带宽与广播应用带宽互为消长，此时信道容量的分配处于零和博弈状态，为了从根本上解决这一资源紧缺问题，本文考虑降低视频发送节点的初始竞争窗口，根据前文的分析，该节点竞争信道所等待的时间将减少，传输效率提高，可获得更高的传输带宽，从而保证两种应用的服务质量。

本发明中，步骤b3中的比例调节按比例反映系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立刻产生调节作用以减少偏差，比例系数kp大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，会使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定，需要注意的是，比例控制无法消除静态误差，这就导致系统的实际输出值一直在参考值附近震荡，因此对于精确控制，需要增加积分调节，积分调节可以消除系统的静态误差，提高控制的准确度，因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分时间常数ki越大，积分作用就越强，但加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢，定义当前的节点吞吐量为th，信道最大带宽为cmax，则可用信道容量cava＝cmax-th，选用pi控制，定义误差e＝cava-cvideo，其控制表达式为其中kp与ki分别为比例与积分调节系数。

cw-pi算法伪代码为：

下面分别对不同的车辆密度条件下，分别对cw-pi算法与802.11p默认竞争窗口算法进行仿真，所有实验均满足以下条件，rsu有效传输半径rr＝1000m，所有车辆obu的有效传输半径ro＝300m，车流的车辆密度为ρ，高速公路某路段长度为x，该路段内车辆数目均满足λ＝ρx的泊松分布，该路段存在n辆车的概率密度函数为p(n)＝λne-λ/n！。由于较低的广播速率不会对视频传输带来影响，这种情况在车辆密度较低时尤其明显，因此本文设定广播背景流发送速率为10packet/s，cw-pi算法的cvideo＝0.2mb/s，kp＝0.01，ki＝0.008，mac层参数：ω＝3mb/s，tdata＝0.002949s，tack＝0.000112s，tσ＝0.000013s，tdifs＝0.000058s，tsifs＝0.000032s，cwmin＝32。视频传输质量用psnr值(单位db)来表示，其值越高，代表画质越好，两种算法的视频传输画质性能与信道占用率如图2与图3所示。

图2显示，当车流密度比较小时，cw-pi算法与802.11默认算法的视频质量没有区别，而随着车流密度的逐渐增加，周期性广播的通信量也开始增加，此时802.11默认算法的视频画质明显下降，而cw-pi算法的视频画质参数psnr则维持了一个比较稳定的状态，直到车流密度ρ达到0.1，psnr才开始下降，但仍优于802.11默认算法。实验说明cw-pi算法在信道繁忙情况下，通过降低竞争窗口值，扩大节点的最大信道容量，满足了视频传输的需要。

图3显示，当车流密度自小变大时，cw-pi算法与802.11默认算法的信道占用率非常接近，显示cw-pi算法为应对和保障视频传输而采取自适应改变竞争窗口值的策略，没有对广播背景流造成较大影响，节点的信道占用率维持在802.11默认算法接近的水平，保障了车间交通感知信息的传输质量。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。